车用替代燃料-基础化学成果

能源是全人类经济发展和生存的主要基础条件之一，因此，人类的进步和可持续发展必须要处理好能源问题。随着国民经济的飞速发展，汽车保有量急剧增长，石油的消耗量也在急速增加。但石油属于不可再生能源，且在地壳中的贮存量有限，因此大力开发新型车用替代燃料已成为能源多元化发展的主要方向之一。

车用替代燃料需满足以下条件：

①资源丰富。汽车保有量逐年增加，用作汽车的替代燃料只有资源丰富，才能保证长期可靠的供应，以满足日益增多的汽车需要。

②安全性高、无毒或低毒、对环境污染小或者无污染。

③价格比较便宜，以利于大范围推广。

④热值高、能量大、携带方便、容易贮存运输，带少量燃料就能有足够的续航里程。

⑤对内燃机的可靠性无不良影响，最好能与现有汽车的供油系统兼容，或只需进行简单的改装即可使用。

鉴于以上各因素考虑，目前使用或开发的车用替代燃料包括天然气、液化石油气、醇类燃料（包括甲醇和乙醇）、二甲醚（DME）、电能、氢能、生物柴油等。

1.天然气

天然气是地表下岩石中自然存在的以轻质碳氢化合物为主体的气体混合物的统称。主要成分为甲烷（CH4），约占80%～90%，其余为乙烷、丙烷、氢气、氮气等。按其存在形式分为压缩天然气（Compressed Natural Gas，简称CNG）和液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）两种。压缩天然气是经压缩，压力在14.7～24.5MPa范围内的天然气。液化天然气是经净化处理、深度冷却后呈液态的天然气。

（1）天然气的优点

①因天然气热值高，1m3天然气的热值相当于1.13L汽油的当量，燃烧产物是水和二氧化碳，可大大降低CO、NOx和碳氢化合物的排放，同时也改善了颗粒排放。天然气与汽油相比，CO排放量可降低70%，NOx和非甲烷类可降低80%，CO2可降低30%，碳氢化合物可降低70%。故使用天然气作为替代燃料更环保、更节能、更经济。

②用于天然气的辛烷值高于110，抗爆性能优于汽油，使发动机运转平稳、噪音小、使用寿命长。

③天然气全球储量丰富，开采运输方便，价格比汽油、柴油便宜。

（2）天然气的缺点

天然气密度小，不如汽油和柴油容易贮存，用于车用燃气时，需要专用的燃料储运和供给系统。为了能提供充足的燃料，天然气必须压缩至20.7～24.8MPa，然后进入高压气瓶内，或经强冷（-161℃）使之变成液态，再储存在特制的外部具有高绝热层的气瓶内，使用时经减压器减压后供给发动机燃烧。

图3-1-9　天然气瓶

2.液化石油气

液化石油气（Liquefied Petroleum Gas，简称LPG）是炼油厂进行原油催化裂解与热裂解时所得到的副产品，是由炼油厂或天然气加压或降温得到的一种无色或黄棕色油状挥发性无嗅液体。为了便于察觉液化石油气是否泄漏，在运输及储存过程中特意加入有刺鼻气味的硫醇和醚等。液化石油气比水的密度小，且不溶于水，主要以丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等三个或四个碳原子烃类为主要成分的化合物气体。

（1）液化石油气的优点

液化石油气常温下无毒、无色，几乎可以完全充分地燃烧，是一种干净高效的汽车燃料，和汽油车的尾气排放量相比，CO的排放量减少70%，碳氢化合物的排放量减少60%～80%，NOx的排放量减少20%～40%，无硫化物、铅、苯等致癌物，对环境污染小；液化石油气比汽油便宜，比汽油的着火点高，使用更经济安全；储量丰富，有较好的抗爆性，是一种性能优良的汽车替代燃料。

（2）液化石油气的缺点

液化石油气属易燃易爆品，火灾、爆炸危险性大；液化石油气燃烧耗氧量大，缺氧时导致燃烧不完全，会产生CO等有毒气体；液化石油气有微毒，在空气中浓度低于1%时，对人体健康无危害，浓度超过10%时，会使人窒息。

3.甲醇

甲醇又称“木醇”或“木精”，是最简单的饱和一元醇。甲醇化学式为CH3OH，是一种无色有刺激性气味、易挥发的液体。能与乙醇、乙醚等有机溶剂和水互溶，有毒，误饮5～10毫升能双目失明，大量饮用会导致死亡。用于制造甲醛和农药等，并用作有机物的萃取剂和酒精的变性剂等。通常由一氧化碳与氢气反应制得或由天然气、煤等天然燃料制成，或来自化工副产品的液态燃料。

（1）甲醇燃料的优点

甲醇来源广泛，且我国煤制甲醇已有相当的规模；甲醇燃烧产物是二氧化碳和水，对环境无污染，是公认的清洁燃料，有绿色环保燃料之称。与汽油相比，CO、碳氢化合物、NOx等有害物质的排放量明显减少。

（2）甲醇燃料的缺点

甲醇不完全燃烧易形成非常规污染排放物，其中甲醛的排放比常规汽油车排放高，容易造成汽车三元催化器中毒；甲醇对金属具有腐蚀性，对橡胶有溶胀作用，因此甲醇汽油中往往要加入抗腐蚀、抗溶胀的添加剂；甲醇有毒，短时间大量吸入会出现轻度上呼吸道刺激症状。

甲醇燃料少量泄漏时，可以用砂土或其他不燃材料吸附或吸收，也可以用大量水冲洗；大量泄漏时，用泡沫覆盖，降低蒸气的危害性。

图3-1-10　燃料乙醇

4.乙醇

乙醇俗称酒精，是由玉米、小麦、薯类、糖蜜等可再生物质为原料，经液化糖化、发酵、蒸馏而制成。乙醇化学式为C2H5OH，是一种无色透明、有特殊香味的液体，易挥发，密度比水小，能与水以任意比例互溶，能溶解多种有机物和无机物，是一种有机溶剂。在医疗上，常用70%～75%的酒精作消毒剂；乙醇是一种重要的化工原料，可制乙酸、乙醚等；也可用于制造饮料、香精等，或配制各种饮用酒；乙醇完全燃烧产物无污染，还可用作清洁燃料，主要有乙醇汽油和乙醇柴油。

（1）乙醇燃料的优点

燃料乙醇是燃烧清洁的高辛烷值燃料，属于可再生能源。100%的纯乙醇通常不用作汽车燃料，通常用无铅汽油掺混，使燃烧更充分，这有利于减少燃料费用，增加燃料的辛烷值，并减少CO、NOx、碳氢化合物及有毒气体的排放。任何量的乙醇均可与汽油掺混，一般汽油中乙醇添加量不超过15%时，对车辆的正常行驶性无明显影响。

（2）乙醇燃料的缺点

在生产中长期接触高浓度乙醇可引起鼻、眼、黏膜刺激以及头痛、头晕、疲乏、易激动等症状；乙醇汽油对环境要求高，保质期短；乙醇在燃烧过程中副产物有酸性，对汽车金属特别是铜有腐蚀作用。因此乙醇汽油中必须添加腐蚀抑制剂。乙醇是一种优良的溶剂，会使汽车密封橡胶及其他非金属材料产生溶胀或龟裂。

5.二甲醚

二甲醚又称甲醚，化学式为CH3OCH3，是一种由煤、煤层气、天然气和生物原料生产出来的燃料。二甲醚是一种无色、有轻微醚香味的气体，可溶于水、醇、乙醚、丙酮等多种有机溶剂。常温下性质稳定，长期暴露在空气中不会形成过氧化物，不易自动氧化，对大气臭氧层无破坏作用，但在加热或辐射条件下可分解为甲烷、乙烷、甲醛等。

（1）二甲醚优点

二甲醚无腐蚀性、无致癌作用，易燃，燃烧时火焰略带光亮，燃烧过程无残液、无黑烟、不会产生污染环境的有害气体，是一种优良的清洁燃料。由于二甲醚中十六烷值高，燃料中含氧较高，柴油机燃烧二甲醚所产生的废气、噪声可大幅度降低。二甲醚还可替代煤气、液化石油气用于民用燃料。在相同温度下，二甲醚的饱和蒸汽压低于液化石油气，因此，二甲醚在储存、运输时比液化石油气安全。二甲醚除了作为清洁燃料外，它还具有良好的制冷性能，可用于制冷空调领域。

（2）二甲醚的缺点

二甲醚稍有毒性，人体吸入后，对中枢神经系统有抑制作用，可引起麻醉、窒息感。二甲醚对皮肤有刺激性。二甲醚是易燃气体，与空气混合可形成爆炸性混合物，空气中爆炸极限为3.45%～26.7%（体积）；接触热、火焰或氧化剂易燃烧甚至发生爆炸。对普通橡胶、塑料有腐蚀作用。(www.xing528.com)

图3-1-11　二甲醚燃气灶

图3-1-12　二甲醚汽车

6.电能

随着科学技术的发展和社会的进步，各种各样的电器不断进入现代社会，大大丰富和方便了我们的生活、学习和工作，电能显得愈发重要。

电能属于二次能源，可以通过风能、水能、核能、热能、太阳能、化学能等多种形式的能量转化为电能。

图3-1-13　风力发电

图3-1-14　水力发电

现在市场上所用的电动车电池类型大致有：铅蓄电池（也叫铅酸电池），锂离子电池，镍氢电池，锌空电池以及铅晶蓄电池。其中铅蓄电池技术成熟、使用成本低、污染小、可回收性好。

铅蓄电池原理：

图3-1-15　铅蓄电池结构示意图

（1）电能的优点

电能来源广泛，直接污染和噪音小、操作方便。

（2）电能的缺点

电能不能大量存贮；可充电电池使用寿命短，不能无限次重复使用，充电时间长。

废旧电池应分类回收、集中处理，以减少电池中重金属（如Cd、Cu、Hg、Ni、Pb等）和酸、碱等污染环境。

7.氢能

氢气是目前世界上已知的最轻的气体，它的密度只有空气密度的1/44。氢气是无色、无味、无毒的气体，常温下，氢气性质稳定，不容易与其他物质发生化学反应，但在高温或加热条件下，氢气可以与许多物质发生化学反应。氢能指氢气和氧气反应时放出的能量。

（1）氢能的优点

氢气可以用水制取，原料来源广泛；氢气燃烧热值高，约为同质量汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍；氢气燃烧产物是水，无污染，是一种绿色清洁能源。

氢气不仅可以燃烧产生热，还可以在燃料电池中进行直接发电，如氢氧燃料电池就是以氢气和氧气为原料产生电能的装置。

氢气的制备方法：

图3-1-16　宝马氢能汽车液态氢燃料罐

图3-1-17　固定式高压储氢罐

（2）氢能的缺点

氢气是易燃易爆气体，在空气中的爆炸极限为4.1%～74.2%，爆炸范围宽，下限低，各种与使用氢气相关的事故都直接或间接与氢气的易燃易爆性有关。泄漏氢气在空间扩散，达到一定浓度时遇火就会燃烧，甚至爆炸。氢气在通常条件下为气态，储存和运输比较困难。

8.生物柴油

生物柴油是生物质能的一种，又称为生质柴油。其在物理性质上与石化柴油接近，但化学组成不同。生物柴油是指以油料作物如大豆、油菜、棉、棕榈等野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换或热化学工艺制成的可代替石化柴油的再生性环保柴油燃料。

生物柴油主要是一些相对分子质量大的复杂有机物形成的混合物，含氧量极高，这些混合物几乎包括所有种类的含氧有机物，如：酯、醚、醛、酮、酚、有机酸、醇等。

生物柴油的生产原理：

图3-1-18　生物柴油

（1）生物柴油的优点

密度比水小，相对密度在0.7424～0.8886之间；稳定性好，长期保存不会变质；和石化柴油相比硫含量低，二氧化硫和硫化物的排放低，尾气中有毒有机物排放量仅为10%，颗粒物为20%，二氧化碳和一氧化碳的排放量仅为10%；具有良好的生物降解性，在环境中容易被微生物分解利用，生物降解性高达98%，降解速率是普通柴油的2倍，可大大减轻意外泄漏时对环境的污染；不属于危险燃料，在运输、储存、使用等方面的优点明显；是一种可再生能源，其资源不会像石油、煤炭那样会枯竭。

（2）生物柴油的缺点

生物柴油制备成本的75%是原料成本，因此采用廉价原料及提高转化从而降低成本，是生物柴油能否实用化的关键；生物柴油生产工艺复杂，且酯化产物回收成本高；生产过程有废碱液排放。

思　考

1.什么是汽油的辛烷值？

2.汽车替代燃料有哪些？